بروتوكولات إنترنت الأشياء: MQTT مقابل CoAP – دليل عالمي شامل لاختيار الأنسب

إنترنت الأشياء (IoT) يغير بسرعة الصناعات والحياة اليومية في كل قارة، من المدن الذكية في آسيا إلى الزراعة الدقيقة في أوروبا، وحلول الصحة المتصلة في أمريكا الشمالية. وفي قلب هذا التحول العالمي تكمن قدرة عدد لا يحصى من الأجهزة على التواصل بسلاسة وكفاءة. هذا الاتصال تحكمه بروتوكولات إنترنت الأشياء، والتي هي في الأساس اللغات التي تستخدمها الأجهزة للتحدث مع بعضها البعض ومع السحابة. من بين عدد لا يحصى من البروتوكولات المتاحة، يبرز اثنان بسبب اعتمادهما على نطاق واسع وملاءمتهما للتحديات الفريدة لإنترنت الأشياء: بروتوكول نقل القياس عن بعد في قوائم انتظار الرسائل (MQTT) وبروتوكول التطبيقات المقيدة (CoAP).

يعد اختيار البروتوكول المناسب قرارًا حاسمًا يؤثر على بنية النظام، وقابلية التوسع، والموثوقية، وفي النهاية، نجاح نشر إنترنت الأشياء. سيغوص هذا الدليل الشامل في عمق بروتوكولي MQTT وCoAP، محللاً خصائصهما الأساسية، ومستكشفًا حالات استخدامهما المثالية مع أمثلة عالمية، ومقدمًا إطارًا قويًا لمساعدتك على اتخاذ قرار مستنير لاحتياجاتك الخاصة في إنترنت الأشياء، بغض النظر عن مكان وجود عملياتك.

فهم جوهر بروتوكولات إنترنت الأشياء

قبل أن نبدأ في المقارنة التفصيلية، من الأهمية بمكان أن نفهم سبب ضرورة وجود بروتوكولات متخصصة لإنترنت الأشياء. على عكس الاتصالات التقليدية عبر الإنترنت، غالبًا ما تقدم بيئات إنترنت الأشياء قيودًا فريدة:

• الأجهزة محدودة الموارد: العديد من أجهزة إنترنت الأشياء، مثل أجهزة الاستشعار أو المحركات الصغيرة، لديها ذاكرة وقوة معالجة وعمر بطارية محدود. لا يمكنها تحمل العبء الإضافي لبروتوكول HTTP الكامل أو البروتوكولات الثقيلة الأخرى.
• الشبكات غير الموثوقة: تعمل أجهزة إنترنت الأشياء بشكل متكرر في بيئات ذات اتصال متقطع، أو نطاق ترددي منخفض، أو زمن انتقال عالٍ (على سبيل المثال، المناطق الريفية، المناطق الصناعية، مواقع المراقبة عن بعد).
• قابلية التوسع: قد يتضمن حل إنترنت الأشياء آلافًا أو حتى ملايين الأجهزة التي تولد كميات هائلة من البيانات، مما يتطلب بروتوكولات يمكنها التعامل مع هذا الحجم بكفاءة.
• الأمن: يتطلب نقل البيانات الحساسة من مواقع بعيدة آليات أمان قوية لمنع الوصول غير المصرح به والتلاعب بالبيانات.
• التوافقية: تحتاج الأجهزة من مختلف الشركات المصنعة إلى التواصل بفعالية، مما يستلزم أساليب اتصال موحدة.

تم تصميم بروتوكولي MQTT وCoAP خصيصًا لمواجهة هذه التحديات، حيث يوفران آليات اتصال خفيفة الوزن وفعالة وقوية مصممة خصيصًا للمشهد المتنوع لإنترنت الأشياء.

MQTT: قوة نموذج النشر والاشتراك

ما هو MQTT؟

MQTT، وهو معيار من OASIS، هو بروتوكول رسائل خفيف الوزن بنموذج النشر والاشتراك مصمم للأجهزة المقيدة والشبكات ذات النطاق الترددي المنخفض أو زمن الانتقال العالي أو غير الموثوقة. تم تطويره بواسطة IBM وArcom في عام 1999، وأصبح حجر الزاوية في العديد من عمليات نشر إنترنت الأشياء واسعة النطاق بفضل بساطته وكفاءته.

الخصائص الرئيسية لـ MQTT

يختلف نموذج التشغيل لـ MQTT اختلافًا جوهريًا عن نماذج العميل والخادم التقليدية. فيما يلي تفصيل لميزاته الرئيسية:

• نموذج رسائل النشر والاشتراك:
  • بدلاً من مخاطبة بعضها البعض مباشرة، تتصل العملاء (الأجهزة) بوسيط MQTT.
  • يمكن للعملاء أن يعملوا كـ ناشرين، يرسلون رسائل حول مواضيع محددة (على سبيل المثال، "building/floor1/room2/temperature").
  • يمكن للعملاء أيضًا أن يعملوا كـ مشتركين، معلنين عن اهتمامهم بتلقي رسائل من مواضيع محددة.
  • الوسيط هو المحور المركزي الذي يستقبل جميع الرسائل من الناشرين ويوجهها إلى جميع العملاء المشتركين. هذا الفصل بين الناشرين والمشتركين هو ميزة رئيسية لقابلية التوسع والمرونة.
• خفيف الوزن وفعال:
  • ترويسة MQTT صغيرة جدًا، مما يجعلها فعالة للغاية للشبكات ذات النطاق الترددي المنخفض. يمكن أن تكون حزمة تحكم MQTT النموذجية صغيرة بحجم 2 بايت.
  • يعمل فوق TCP/IP، مما يضمن تسليمًا موثوقًا ومرتبًا ومصححًا للأخطاء للرسائل على طبقة النقل.
• مستويات جودة الخدمة (QoS): يقدم MQTT ثلاثة مستويات من جودة الخدمة، مما يسمح للمطورين بالموازنة بين الموثوقية وعبء الشبكة:
  • QoS 0 (مرة واحدة على الأكثر): يتم إرسال الرسائل دون إقرار بالاستلام. هذا هو الخيار الأسرع ولكنه الأقل موثوقية، وهو مناسب للبيانات غير الحرجة مثل قراءات الإضاءة المحيطة حيث يكون فقدان تحديث عرضي مقبولاً.
  • QoS 1 (مرة واحدة على الأقل): يُضمن وصول الرسائل، ولكن قد تحدث تكرارات. يعيد المرسل إرسال الرسالة حتى يتم استلام إقرار. هذا توازن جيد للعديد من تطبيقات إنترنت الأشياء، مثل تحديثات الحالة.
  • QoS 2 (مرة واحدة بالضبط): يُضمن وصول الرسائل مرة واحدة بالضبط. هذا هو الخيار الأبطأ ولكنه الأكثر موثوقية، ويتضمن مصافحة ثنائية الطور بين المرسل والمستقبل. إنه حاسم للأوامر الحرجة أو المعاملات المالية.
• استمرارية الجلسة والوصية الأخيرة:
  • يمكن للعملاء إنشاء جلسات مستمرة مع الوسيط، مما يسمح بالحفاظ على الاشتراكات حتى لو انقطع اتصال العميل. عندما يعيد العميل الاتصال، فإنه يتلقى أي رسائل تم نشرها أثناء عدم اتصاله.
  • تسمح ميزة الوصية الأخيرة (LWT) للعميل بإبلاغ الوسيط برسالة ليتم نشرها حول موضوع معين إذا انقطع اتصال العميل بشكل غير متوقع (على سبيل المثال، بسبب انقطاع التيار الكهربائي). هذا لا يقدر بثمن للمراقبة عن بعد، حيث يشير إلى فشل الجهاز أو انقطاعه.
• الأمن: يدعم MQTT تشفير TLS/SSL للاتصال الآمن بين العملاء والوسيط، وآليات مصادقة/تفويض مختلفة (على سبيل المثال، اسم المستخدم/كلمة المرور، شهادات العميل).

حالات الاستخدام العالمية وأمثلة على MQTT

يجعل نموذج النشر والاشتراك والكفاءة في MQTT مثاليًا لمجموعة واسعة من تطبيقات إنترنت الأشياء العالمية:

• المنزل الذكي وأتمتة المباني: عبر المجمعات السكنية في سنغافورة إلى المباني الشاهقة التجارية في نيويورك، يسهل MQTT الاتصال بين الأجهزة الذكية مثل أنظمة الإضاءة ووحدات التدفئة والتهوية وتكييف الهواء وأقفال الأبواب والكاميرات الأمنية. يمكن لوسيط مركزي إدارة مئات الأجهزة، مما يسمح بالتحكم والأتمتة السلسة، وإرسال الإشعارات إلى هواتف السكان أو أنظمة إدارة المباني.
• إنترنت الأشياء الصناعي (IIoT) والمراقبة عن بعد: في المصانع في جميع أنحاء ألمانيا، ومصانع التصنيع في اليابان، أو حقول النفط والغاز في الشرق الأوسط، يربط MQTT أجهزة الاستشعار على الآلات بالمنصات السحابية. يتيح المراقبة في الوقت الفعلي لأداء المعدات، والصيانة التنبؤية، وتحسينات الكفاءة التشغيلية. يمكن جمع البيانات من عدد لا يحصى من أجهزة الاستشعار (درجة الحرارة، الضغط، الاهتزاز) وتوجيهها إلى محركات التحليل، مما يضمن عمليات غير منقطعة وسلامة العمال.
• صناعة السيارات: تستفيد السيارات المتصلة عالميًا من MQTT لبيانات القياس عن بعد وتحديثات البرامج الثابتة والتواصل مع الخدمات السحابية. يمكن التعامل مع تشخيصات المركبات وتتبع الموقع وتحديثات المعلومات والترفيه بكفاءة عبر MQTT، مما يضمن منصة آمنة وقابلة للتطوير لأسطول متزايد من المركبات في جميع أنحاء العالم.
• الرعاية الصحية ومراقبة المرضى عن بعد: من العيادات في المناطق الريفية في الهند إلى المستشفيات المتخصصة في السويد، يُستخدم MQTT في أجهزة المراقبة الصحية القابلة للارتداء والأجهزة الطبية لنقل العلامات الحيوية (معدل ضربات القلب، ضغط الدم، مستويات الجلوكوز) إلى مقدمي الرعاية الصحية أو المنصات الصحية القائمة على السحابة. يتيح ذلك المراقبة المستمرة للمرضى، وخاصة كبار السن أو المصابين بأمراض مزمنة، مما يسمح بالتدخلات في الوقت المناسب وتحسين نتائج المرضى.
• الخدمات اللوجستية وتتبع سلسلة التوريد: تستخدم الشركات التي تدير سلاسل التوريد العالمية، من سفن الحاويات التي تعبر المحيطات إلى شاحنات التوصيل في البرازيل، MQTT لتتبع البضائع في الوقت الفعلي. يمكن لأجهزة الاستشعار على المنصات أو الحاويات الإبلاغ عن الموقع ودرجة الحرارة والرطوبة، مما يضمن سلامة البضائع القابلة للتلف وتحسين مسارات التسليم.
• تكنولوجيا الزراعة (AgriTech): في المزارع واسعة النطاق في أستراليا أو مزارع الكروم في فرنسا، تراقب أجهزة الاستشعار التي تدعم MQTT رطوبة التربة ومستويات المغذيات والظروف الجوية. يتم نشر هذه البيانات إلى وسيط مركزي، مما يسمح للمزارعين باتخاذ قرارات تعتمد على البيانات بشأن الري والتسميد ومكافحة الآفات، مما يؤدي إلى تحسين الغلة واستخدام الموارد.

مزايا MQTT

• قابلية توسع استثنائية: تسمح البنية المرتكزة على الوسيط لملايين الأجهزة بالاتصال دون معرفة مباشرة ببعضها البعض، مما يجعلها قابلة للتطوير بشكل كبير لأنظمة إنترنت الأشياء الكبيرة.
• اتصال منفصل: لا يحتاج الناشرون والمشتركون إلى معرفة بعضهم البعض، مما يبسط تصميم النظام وصيانته.
• كفاءة الشبكة: يجعل العبء الإضافي الأدنى والاستخدام الفعال لاتصالات TCP مثاليًا للشبكات ذات النطاق الترددي المنخفض وزمن الانتقال العالي.
• رسائل موثوقة: توفر مستويات جودة الخدمة تحكمًا دقيقًا في ضمانات تسليم الرسائل، من أفضل جهد إلى مرة واحدة بالضبط.
• مدفوع بالأحداث وفي الوقت الفعلي: مثالي للسيناريوهات التي تتطلب تحديثات أو أوامر فورية، مثل التنبيهات أو إشارات التحكم.
• اعتماد واسع النطاق ونظام بيئي: معيار ناضج مع مكتبات عملاء واسعة النطاق لمختلف لغات البرمجة وتطبيقات وسيط قوية، مما يسهل التطوير.

عيوب MQTT

• يتطلب وسيطًا: يعد الوسيط المركزي ضروريًا لجميع الاتصالات، مما يمثل نقطة فشل واحدة (على الرغم من أن الوسطاء ذوي التوافر العالي يمكن أن يخففوا من ذلك) ومكون بنية تحتية إضافي للإدارة.
• غير متوافق أصلاً مع HTTP: بينما يمكن للبوابات ربط MQTT بـ HTTP، فإنه غير متوافق أصلاً مع متصفحات الويب أو واجهات برمجة التطبيقات RESTful دون تحويل.
• عبء إضافي للرسائل الصغيرة جدًا: على الرغم من كونه خفيف الوزن بشكل عام، بالنسبة لحزم البيانات الصغيرة للغاية (على سبيل المثال، بايت واحد)، يمكن أن يظل العبء الإضافي لـ TCP/IP وترويسة MQTT كبيرًا بشكل غير متناسب.
• إدارة الحالة: يمكن أن تصبح إدارة الاشتراكات والجلسات لعدد كبير من العملاء معقدة بالنسبة للوسيط.

CoAP: الخفيف الوزن الموجه للويب

ما هو CoAP؟

CoAP هو بروتوكول معياري من IETF مصمم للأجهزة المقيدة للغاية، غالبًا تلك التي لديها موارد قليلة جدًا، وتعمل في بيئات يُفضل فيها أو يُطلب استخدام UDP. إنه يجلب بنية RESTful المألوفة (نقل الحالة التمثيلية) للويب إلى إنترنت الأشياء، مما يسمح للأجهزة بالتفاعل مع الموارد باستخدام طرق مشابهة لـ HTTP (GET, PUT, POST, DELETE).

الخصائص الرئيسية لـ CoAP

يهدف CoAP إلى توفير تجربة شبيهة بالويب لأصغر الأجهزة:

• نموذج الطلب والاستجابة:
  • على غرار HTTP، يعمل CoAP على نموذج العميل والخادم التقليدي. يرسل العميل طلبًا إلى خادم (جهاز إنترنت الأشياء به موارد)، ويرسل الخادم استجابة.
  • يتم تحديد الموارد بواسطة URIs، تمامًا كما في الويب (على سبيل المثال، coap://device.example.com/sensors/temperature).
• النقل القائم على UDP:
  • يستخدم CoAP بشكل أساسي UDP (بروتوكول مخطط بيانات المستخدم) بدلاً من TCP. UDP غير متصل وله عبء إضافي أقل بكثير من TCP، مما يجعله مثاليًا للأجهزة ذات الذاكرة والطاقة المحدودة للغاية.
  • للتعويض عن عدم موثوقية UDP، ينفذ CoAP آليات موثوقية خفيفة الوزن خاصة به (إعادة الإرسال، الإقرارات) مباشرة داخل البروتوكول. هذا يعني أن رسائل CoAP يمكن أن تكون 'قابلة للتأكيد' (تتطلب إقرارًا) أو 'غير قابلة للتأكيد' (أطلق وانس).
• واجهة RESTful:
  • يدعم CoAP الطرق القياسية مثل GET (استرداد تمثيل مورد)، POST (إنشاء أو تحديث مورد)، PUT (تحديث/استبدال مورد)، و DELETE (إزالة مورد). هذا يجعله بديهيًا لمطوري الويب المطلعين على HTTP.
  • يستفيد من مفاهيم مثل معرفات الموارد الموحدة (URIs) لمعالجة الموارد وأنواع المحتوى لتنسيقات البيانات.
• عبء إضافي أدنى: ترويسات CoAP مضغوطة للغاية (عادة 4 بايت)، مما يسمح بأحجام رسائل صغيرة جدًا. هذا أمر بالغ الأهمية للأجهزة المقيدة للغاية والشبكات اللاسلكية منخفضة الطاقة.
• اكتشاف الموارد: يتضمن CoAP آليات لاكتشاف الموارد المتاحة على خادم CoAP (جهاز)، على غرار الطريقة التي قد يسرد بها خادم الويب الصفحات المتاحة. هذا مفيد لبيئات الأجهزة الديناميكية.
• خيار المراقبة (Observe): بينما يعتمد بشكل أساسي على نموذج الطلب والاستجابة، يقدم CoAP خيار 'Observe' الذي يتيح شكلًا محدودًا من النشر والاشتراك. يمكن للعميل 'مراقبة' مورد، وسيقوم الخادم بإرسال تحديثات لهذا المورد بمرور الوقت دون استقصاء متكرر. هذا أكثر كفاءة من الاستقصاء المستمر للتغييرات.
• نقل الكتل: لنقل الحمولات الأكبر، يوفر CoAP آلية نقل الكتل، حيث يقسم البيانات إلى كتل أصغر لتناسب وحدات النقل القصوى (MTUs) النموذجية للشبكات المقيدة.
• دعم الوكيل والتخزين المؤقت: يدعم CoAP بشكل طبيعي الوكلاء، الذين يمكنهم ترجمة طلبات CoAP إلى HTTP والعكس، مما يسد الفجوة بين الأجهزة المقيدة والويب الأوسع. يتم أيضًا دعم تخزين الاستجابات مؤقتًا بشكل أصلي، مما يقلل من الطلبات الزائدة عن الحاجة.
• الأمن: يستخدم CoAP عادةً أمان طبقة النقل لمخططات البيانات (DTLS) للاتصال الآمن عبر UDP، مما يوفر التشفير والمصادقة والسلامة على غرار TLS لـ TCP.

حالات الاستخدام العالمية وأمثلة على CoAP

تجعل كفاءة وبساطة CoAP مناسبًا للسيناريوهات المقيدة بالموارد بشكل كبير وتفاعلات جهاز إلى جهاز المباشرة:

• شبكات الاستشعار اللاسلكية (WSNs): في محطات المراقبة البيئية النائية في غابات الأمازون المطيرة، أو إنارة الشوارع الذكية في كوبنهاغن، أو الحقول الزراعية في المناطق الريفية في الصين، يتفوق CoAP. يمكن للأجهزة ذات الطاقة وقدرات المعالجة الدنيا إرسال حزم بيانات صغيرة بكفاءة (مثل درجة الحرارة والرطوبة وشدة الضوء) أو تلقي أوامر بسيطة (مثل التشغيل/الإيقاف). أساسه القائم على UDP مناسب تمامًا للبروتوكولات اللاسلكية منخفضة الطاقة مثل 6LoWPAN.
• البنية التحتية للمدن الذكية: لأجهزة استشعار مواقف السيارات التي تعمل بالبطارية عبر مختلف المراكز الحضرية من طوكيو إلى لندن، أو صناديق النفايات الذكية في الأحياء الذكية، يسمح العبء الإضافي الأدنى لـ CoAP وكفاءة UDP بعمر بطارية طويل ونشر سريع. يمكن لهذه الأجهزة الإبلاغ بشكل متكرر عن حالتها أو وجودها دون استنزاف الطاقة بسرعة.
• أتمتة المباني على الحافة: داخل المباني التجارية في دبي أو المجمعات السكنية في كندا، يُستخدم CoAP للتحكم المباشر في المحركات وأجهزة الاستشعار الصغيرة مثل أقفال الأبواب الذكية، أو أجهزة استشعار النوافذ، أو مفاتيح الإضاءة البسيطة. نموذج الطلب والاستجابة الخاص به بديهي لعمليات الأوامر والتحكم الفردية.
• أنظمة إدارة الطاقة: في الشبكات الذكية أو الشبكات الصغيرة، لا سيما في المناطق النامية ذات البنية التحتية الأقل استقرارًا، يمكن استخدام CoAP للتواصل مع العدادات الذكية أو أجهزة استشعار استهلاك الطاقة. بصمته المنخفضة من الموارد تجعله قابلاً للتطبيق للأجهزة المنتشرة في بيئات صعبة.
• الأجهزة القابلة للارتداء والأدوات الصحية الشخصية: بالنسبة للأجهزة القابلة للارتداء المدمجة التي تعمل بالبطارية والتي تحتاج إلى إرسال حزم بيانات صغيرة من حين لآخر (مثل تحديثات متتبع النشاط، تنبيهات بسيطة) إلى بوابة قريبة أو هاتف ذكي، يقدم CoAP حلاً فعالاً.
• البيع بالتجزئة وتتبع الأصول: في المستودعات الكبيرة أو مساحات البيع بالتجزئة في المكسيك أو جنوب إفريقيا، يمكن استخدام CoAP لتتبع المخزون باستخدام علامات منخفضة الطاقة، وإرسال تحديثات الموقع أو تغييرات الحالة للعناصر الفردية.

مزايا CoAP

• عبء إضافي منخفض للغاية: حجم رسائله الأدنى ونقله عبر UDP يجعله فعالاً بشكل لا يصدق للأجهزة والشبكات المقيدة بشدة.
• يناسب الأجهزة المقيدة: مصمم من الألف إلى الياء للمعالجات الدقيقة ذات الذاكرة وقوة المعالجة وعمر البطارية المحدود.
• التكامل مع الويب: طبيعته RESTful وأساليبه الشبيهة بـ HTTP تجعل من السهل دمجه مع خدمات الويب التقليدية من خلال الوكلاء.
• اتصال مباشر من جهاز إلى جهاز: يمكن استخدام CoAP للاتصال المباشر بين الأجهزة دون الحاجة إلى وسيط، مما يبسط بعض طبولوجيا الشبكة.
• دعم البث المتعدد (Multicast): بالاستفادة من إمكانيات البث المتعدد لـ UDP، يمكن لـ CoAP إرسال الرسائل بكفاءة إلى مجموعات من الأجهزة.
• اكتشاف الموارد: دعم أصلي لاكتشاف الموارد المتاحة على الجهاز.

عيوب CoAP

• أقل قابلية للتوسع لنمط كثير إلى كثير: بينما توفر ميزة 'Observe' ميزة شبيهة بالاشتراك والنشر، فإن نموذج الطلب والاستجابة الأساسي لـ CoAP أقل كفاءة من نموذج النشر والاشتراك المخصص في MQTT للتوزيع واسع النطاق (ناشر واحد للعديد من المشتركين).
• إدارة موثوقية UDP: على الرغم من أن CoAP يضيف موثوقيته الخاصة، إلا أنها ليست قوية أو مُدارة عالميًا مثل آليات TCP المدمجة، مما يتطلب تنفيذًا دقيقًا.
• ليس دفعًا أصليًا: آلية 'Observe' هي إشعار قائم على السحب بدلاً من نموذج دفع حقيقي يحركه الوسيط، ويمكن أن تستهلك اتصالات 'Observe' المستمرة المزيد من الموارد بمرور الوقت.
• نظام بيئي أقل نضجًا (مقارنة بـ MQTT): على الرغم من نموه، فإن CoAP لديه عدد أقل من تطبيقات الوسطاء المنتشرة ودعم المجتمع مقارنة بالنظام البيئي الناضج لـ MQTT.
• اجتياز ترجمة عنوان الشبكة (NAT): يمكن أن تواجه البروتوكولات القائمة على UDP تحديات في اجتياز NAT في تكوينات الشبكة المعقدة، مما قد يتطلب إعدادًا إضافيًا للوصول العالمي.

MQTT مقابل CoAP: مقارنة جنبًا إلى جنب

لتقطير الاختلافات والمساعدة في اتخاذ القرار، دعنا نفحص MQTT وCoAP عبر الأبعاد الرئيسية:

نموذج الاتصال:

• MQTT: نشر-اشتراك (غير متزامن). يتم فصل الناشرين والمشتركين بواسطة وسيط. مثالي لاتصالات واحد إلى كثير وكثير إلى كثير.
• CoAP: طلب-استجابة (متزامن/غير متزامن مع 'Observe'). يطلب العميل موردًا، ويستجيب الخادم. مشابه لـ HTTP. مثالي لاتصالات واحد إلى واحد.

طبقة النقل:

• MQTT: TCP (بروتوكول التحكم في الإرسال). يوفر موثوقية مدمجة، وتحكمًا في التدفق، وفحصًا للأخطاء، مما يضمن تسليمًا مرتبًا.
• CoAP: UDP (بروتوكول مخطط بيانات المستخدم). غير متصل وعديم الحالة، مع الحد الأدنى من العبء الإضافي. يضيف CoAP طبقة موثوقية خاصة به (رسائل قابلة للتأكيد، إعادة إرسال) فوق UDP.

العبء الإضافي وحجم الرسالة:

• MQTT: خفيف الوزن نسبيًا (ترويسة دنيا، عادة ترويسة ثابتة بحجم 2 بايت + ترويسة متغيرة). لا يزال يستفيد من إنشاء اتصال TCP.
• CoAP: خفيف الوزن للغاية (عادة ترويسة ثابتة بحجم 4 بايت). فعال جدًا لأصغر الرسائل، خاصة عبر الشبكات اللاسلكية منخفضة الطاقة.

متطلبات الوسيط/الخادم:

• MQTT: يتطلب وسيط MQTT مركزيًا لتسهيل جميع الاتصالات.
• CoAP: لا يتطلب وسيطًا للاتصال المباشر من جهاز إلى جهاز. تعمل الأجهزة كعملاء وخوادم CoAP. يمكن استخدام الوكلاء للاتصال بالويب.

الموثوقية:

• MQTT: يرث موثوقية TCP. يقدم ثلاثة مستويات من جودة الخدمة (0، 1، 2) لضمانات تسليم الرسائل الصريحة.
• CoAP: ينفذ موثوقيته الخاصة (رسائل قابلة للتأكيد مع إقرارات وإعادة إرسال) عبر UDP. أقل قوة للشبكات غير الموثوقة من موثوقية TCP الكامنة.

الأمن:

• MQTT: يتم تأمينه باستخدام TLS/SSL عبر TCP للتشفير والمصادقة.
• CoAP: يتم تأمينه باستخدام DTLS (أمان طبقة النقل لمخططات البيانات) عبر UDP للتشفير والمصادقة.

التكامل مع الويب:

• MQTT: غير متوافق أصلاً مع الويب؛ يتطلب جسرًا أو بوابة للتفاعل مع خدمات الويب القائمة على HTTP.
• CoAP: مصمم ليتم تعيينه بسهولة إلى HTTP وغالبًا ما يستخدم وكلاء CoAP-to-HTTP للاندماج مع تطبيقات الويب.

حالات الاستخدام المثالية:

• MQTT: عمليات نشر إنترنت الأشياء واسعة النطاق، البنى المرتكزة على السحابة، تدفق البيانات في الوقت الفعلي، الأنظمة المدفوعة بالأحداث، تطبيقات الهاتف المحمول، الأتمتة الصناعية، حيث ينشر العديد من الأجهزة إلى العديد من المشتركين.
• CoAP: الأجهزة المقيدة بالموارد للغاية، الاتصال المحلي من جهاز إلى جهاز، الشبكات اللاسلكية منخفضة الطاقة (مثل 6LoWPAN)، شبكات أجهزة الاستشعار/المحركات، واجهات برمجة تطبيقات إنترنت الأشياء RESTful، حيث يكون التفاعل المباشر مع موارد محددة مطلوبًا.

اختيار البروتوكول المناسب: إطار عمل لاتخاذ القرار لعمليات نشر إنترنت الأشياء العالمية

إن الاختيار بين MQTT وCoAP لا يتعلق بالبروتوكول "الأفضل" بطبيعته، بل بالبروتوكول الأنسب للمتطلبات والقيود المحددة لحل إنترنت الأشياء الخاص بك. يتطلب المنظور العالمي النظر في ظروف الشبكة المتنوعة، وقدرات الأجهزة، والبيئات التنظيمية. إليك إطار عمل لاتخاذ القرار:

عوامل يجب مراعاتها

قم بتقييم هذه الجوانب من مشروع إنترنت الأشياء الخاص بك:

• قيود الجهاز:
  • الذاكرة وقوة المعالجة: ما مدى محدودية أجهزتك؟ إذا كانت تحتوي على كيلوبايت من ذاكرة الوصول العشوائي ومعالجات دقيقة بطيئة، فقد يكون CoAP هو الخيار الأفضل. إذا كانت لديها موارد أكبر (على سبيل المثال، Raspberry Pi، ESP32)، فإن MQTT قابل للتطبيق تمامًا.
  • عمر البطارية: يستهلك UDP (CoAP) بشكل عام طاقة أقل للاتصالات القصيرة بسبب عدم وجود عبء اتصال، وهو ما يمكن أن يكون حاسمًا لعمر بطارية يمتد لسنوات. يتطلب TCP (MQTT) اتصالاً دائمًا، والذي يمكن أن يكون أكثر استهلاكًا للطاقة إذا لم تتم إدارته بعناية.
• قيود الشبكة:
  • النطاق الترددي: كلاهما خفيف الوزن، لكن CoAP له ترويسة أصغر هامشيًا، والتي يمكن أن تكون مهمة في الشبكات ذات النطاق الترددي المنخفض للغاية (على سبيل المثال، LPWAN مثل Sigfox، LoRaWAN - على الرغم من أن هذه غالبًا ما يكون لها بروتوكولات طبقة التطبيقات الخاصة بها والتي يمكن لـ CoAP التعيين إليها).
  • زمن الانتقال والموثوقية: إذا كانت الشبكة غير موثوقة للغاية أو عرضة لزمن انتقال عالٍ، فقد تكون مستويات جودة الخدمة لـ MQTT وموثوقية TCP الكامنة مفضلة. تعمل عمليات إعادة الإرسال في CoAP، ولكن طبيعة UDP غير المتصلة يمكن أن تكون أقل قابلية للتنبؤ عبر الروابط شديدة الفقد.
  • طبولوجيا الشبكة: هل الأجهزة خلف NAT أو جدران حماية صعبة؟ غالبًا ما يبسط نموذج الوسيط في MQTT اجتياز جدار الحماية للاتصالات الصادرة. يمكن أن يكون CoAP (UDP) أكثر تحديًا للاتصال المباشر من نظير إلى نظير عبر الإنترنت.
• نمط الاتصال:
  • نشر-اشتراك (كثير إلى كثير): هل تحتاج إلى جهاز واحد لإرسال البيانات إلى العديد من الأطراف المهتمة، أو تجميع البيانات من العديد من الأجهزة إلى نظام مركزي؟ MQTT هو الفائز الواضح هنا.
  • طلب-استجابة (واحد إلى واحد): هل تحتاج إلى الاستعلام عن جهاز معين لمعرفة حالته، أو إرسال أمر مباشر إلى محرك؟ يتفوق CoAP في هذا النموذج.
  • مدفوع بالأحداث مقابل الاستقصاء: لإشعارات الأحداث في الوقت الفعلي، يعتبر نموذج الدفع في MQTT متفوقًا. يمكن لخيار 'Observe' في CoAP توفير سلوك شبيه بالدفع ولكنه أكثر ملاءمة لمراقبة تغييرات الموارد المحددة.
• متطلبات قابلية التوسع:
  • كم عدد الأجهزة التي سيتم توصيلها؟ ما حجم البيانات التي سيتم تبادلها؟ تم تصميم بنية الوسيط في MQTT لقابلية التوسع الهائلة، والتعامل مع ملايين الاتصالات المتزامنة. CoAP قابل للتطوير للعديد من الموارد، لكن طبيعته الأساسية للطلب والاستجابة أقل كفاءة لبث كميات كبيرة من البيانات إلى العديد من المشتركين.
• التكامل مع الأنظمة الحالية والويب:
  • هل تقوم ببناء حل إنترنت الأشياء يركز على الويب حيث تعرض الأجهزة موارد يمكن الوصول إليها مثل صفحات الويب؟ تتوافق طبيعة CoAP RESTful جيدًا مع هذا.
  • هل تتكامل مع قوائم انتظار رسائل المؤسسة أو منصات البيانات الضخمة؟ غالبًا ما يحتوي MQTT على المزيد من الموصلات والتكاملات المباشرة بسبب شعبيته في رسائل المؤسسة.
• الاحتياجات الأمنية:
  • كلاهما يدعم التشفير القوي (TLS/DTLS). ضع في اعتبارك العبء الإضافي لإنشاء وصيانة اتصالات آمنة على الأجهزة المقيدة للغاية.
• النظام البيئي للمطورين والدعم:
  • ما مدى نضج المجتمع ومكتبات العملاء المتاحة لبيئة التطوير التي اخترتها؟ يتمتع MQTT بشكل عام بنظام بيئي أكبر وأكثر نضجًا على مستوى العالم.

متى تختار MQTT

اختر MQTT عندما يتضمن حل إنترنت الأشياء الخاص بك:

• شبكات استشعار واسعة النطاق وأنظمة القياس عن بعد (مثل مراقبة جودة الهواء في المدن الذكية، والتحكم في المناخ الزراعي عبر حقول شاسعة في البرازيل).
• الحاجة إلى جمع بيانات مركزي وتوزيعها على تطبيقات أو لوحات معلومات متعددة (مثل عمليات المصانع الذكية في الصين حيث يتم مشاركة بيانات الإنتاج مع فرق الإدارة والتحليلات والصيانة).
• البنى المدفوعة بالأحداث حيث تكون التنبيهات أو الأوامر في الوقت الفعلي حاسمة (مثل إشعارات اختراق نظام الأمان، والتنبيهات الطبية الطارئة من الأجهزة القابلة للارتداء).
• الأجهزة التي يمكنها الحفاظ على اتصال دائم أو إعادة الاتصال بسهولة (مثل الأجهزة ذات الإمداد بالطاقة المستقر أو الاتصال الخلوي).
• الاتصال ثنائي الاتجاه حيث تكون الأوامر من السحابة إلى الجهاز وبيانات الجهاز إلى السحابة متكررة.
• التكامل مع تطبيقات الهاتف المحمول أو خدمات الويب التي تستفيد من الإشعارات الفورية.
• السيناريوهات التي تكون فيها ضمانات تسليم الرسائل (QoS) حاسمة، مثل إشارات التحكم الحرجة أو المعاملات المالية.

متى تختار CoAP

فكر في CoAP لحل إنترنت الأشياء الخاص بك إذا:

• كنت تعمل مع أجهزة مقيدة بالموارد للغاية (مثل أجهزة الاستشعار التي تعمل بالبطارية مع معالجات دقيقة صغيرة في القرى الإفريقية النائية).
• كانت بيئة الشبكة في المقام الأول لاسلكية منخفضة الطاقة (مثل 6LoWPAN عبر Thread أو Zigbee، أو Wi-Fi المقيد)، حيث تكون كفاءة UDP ذات أهمية قصوى.
• كان الاتصال في الغالب طلب-استجابة، حيث يستعلم العميل عن مورد معين على جهاز، أو يرسل أمرًا مباشرًا (مثل قراءة قيمة معينة من عداد ذكي، تبديل مفتاح إضاءة).
• كنت بحاجة إلى اتصال مباشر من جهاز إلى جهاز دون وسيط (مثل مفتاح إضاءة ذكي يتصل مباشرة بمصباح ذكي في شبكة محلية).
• كانت بنية النظام تميل بشكل طبيعي إلى نموذج ويب RESTful، حيث تعرض الأجهزة 'موارد' للوصول إليها أو التلاعب بها عبر URIs.
• كان الاتصال متعدد البث إلى مجموعات من الأجهزة مطلوبًا (مثل إرسال أمر إلى جميع أضواء الشوارع في منطقة معينة).
• كانت حالة الاستخدام الأساسية تتضمن ملاحظات دورية لمورد بدلاً من البث المستمر (مثل مراقبة مستشعر درجة الحرارة للتغيرات كل بضع دقائق).

النهج الهجين والبوابات

من المهم إدراك أن MQTT وCoAP ليسا حصريين. العديد من عمليات نشر إنترنت الأشياء المعقدة، خاصة تلك التي تمتد عبر مناطق جغرافية وأنواع أجهزة متنوعة، تستفيد من نهج هجين:

• بوابات الحافة: في نمط شائع، تتواصل الأجهزة المقيدة التي تدعم CoAP مع بوابة حافة محلية (مثل خادم محلي أو جهاز مضمن أكثر قوة). تقوم هذه البوابة بعد ذلك بتجميع البيانات، وإجراء المعالجة المحلية، وإعادة توجيه المعلومات ذات الصلة إلى السحابة باستخدام MQTT. هذا يقلل العبء على الأجهزة المقيدة الفردية ويحسن الاتصال السحابي. على سبيل المثال، في مزرعة كبيرة في ريف أستراليا، تجمع مستشعرات CoAP بيانات التربة وترسلها إلى بوابة محلية؛ ثم تستخدم البوابة MQTT لإرسال البيانات المجمعة إلى منصة تحليلات سحابية في سيدني.
• ترجمة البروتوكول: يمكن للبوابات أيضًا أن تعمل كمترجمات للبروتوكولات، حيث تحول رسائل CoAP إلى MQTT (والعكس صحيح) أو HTTP، مما يسمح بالتكامل السلس بين أجزاء مختلفة من نظام إنترنت الأشياء البيئي. هذا مفيد بشكل خاص عند دمج أجهزة مقيدة جديدة في بنية تحتية سحابية قائمة على MQTT.

اعتبارات أمنية لكلا البروتوكولين

الأمن أمر بالغ الأهمية في أي نشر لإنترنت الأشياء، خاصة في سياق عالمي حيث لوائح خصوصية البيانات (مثل GDPR في أوروبا ومختلف قوانين حماية البيانات عبر آسيا والأمريكتين) والتهديدات السيبرانية موجودة دائمًا. يقدم كل من MQTT وCoAP آليات لتأمين الاتصال:

• التشفير:
  • MQTT: يستخدم عادةً TLS/SSL (أمان طبقة النقل/طبقة مآخذ التوصيل الآمنة) عبر TCP. يقوم هذا بتشفير قناة الاتصال بأكملها بين العميل والوسيط، وحماية البيانات من التنصت.
  • CoAP: يستخدم DTLS (أمان طبقة النقل لمخططات البيانات) عبر UDP. يوفر DTLS أمانًا تشفيريًا مشابهًا لـ TLS ولكنه مُكيف لبروتوكولات مخططات البيانات غير المتصلة.
• المصادقة:
  • يدعم كلا البروتوكولين مصادقة العميل والخادم. بالنسبة لـ MQTT، غالبًا ما يتضمن ذلك اسم مستخدم/كلمة مرور، أو شهادات عميل، أو رموز OAuth. بالنسبة لـ CoAP، تعد المفاتيح المشتركة مسبقًا (PSK) أو شهادات X.509 مع DTLS شائعة. تضمن المصادقة القوية أن الأجهزة والمستخدمين الشرعيين فقط يمكنهم المشاركة في الشبكة.
• التفويض:
  • إلى جانب المصادقة، يحدد التفويض ما يُسمح للعملاء المصادق عليهم بفعله. يوفر وسطاء MQTT قوائم التحكم في الوصول (ACLs) لتحديد العملاء الذين يمكنهم النشر أو الاشتراك في مواضيع محددة. تتحكم خوادم CoAP في الوصول إلى موارد محددة بناءً على بيانات اعتماد العميل.
• سلامة البيانات: يوفر كل من TLS وDTLS آليات لضمان عدم التلاعب بالرسائل أثناء النقل.

بغض النظر عن البروتوكول المختار، فإن تطبيق أمان قوي أمر غير قابل للتفاوض. يشمل ذلك إدارة المفاتيح الآمنة، والتدقيق الأمني المنتظم، والالتزام بأفضل الممارسات مثل مبدأ الامتياز الأقل لوصول الجهاز.

الاتجاهات المستقبلية والتطور في بروتوكولات إنترنت الأشياء

مشهد إنترنت الأشياء ديناميكي، وتستمر البروتوكولات في التطور. بينما يظل MQTT وCoAP مهيمنين، تشكل العديد من الاتجاهات مستقبلهما وظهور حلول جديدة:

• الحوسبة الطرفية: يعزز صعود الحوسبة الطرفية البنى الهجينة. مع تحول المزيد من المعالجة بالقرب من مصادر البيانات، ستظل البروتوكولات التي تتيح الاتصال الفعال بين الأجهزة المحلية من جهاز إلى جهاز ومن جهاز إلى طرف (مثل CoAP) حاسمة، مكملة للبروتوكولات التي تركز على السحابة (مثل MQTT).
• التوحيد القياسي والتوافقية: ستعزز الجهود المبذولة لتوحيد نماذج البيانات والتوافقية الدلالية (مثل استخدام أطر عمل مثل OPC UA أو oneM2M، والتي يمكن تشغيلها عبر MQTT/CoAP) الاتصال السلس عبر أنظمة إنترنت الأشياء المتنوعة على مستوى العالم.
• ميزات الأمان المحسنة: مع تطور التهديدات، ستتطور الإجراءات الأمنية أيضًا. توقع استمرار التقدم في تقنيات التشفير خفيفة الوزن المناسبة للأجهزة المقيدة وحلول إدارة الهوية الأكثر تطورًا.
• التكامل مع 5G وLPWAN: سيؤثر طرح شبكات 5G والتوسع المستمر للشبكات واسعة النطاق منخفضة الطاقة (LPWANs مثل NB-IoT، LTE-M) على اختيار البروتوكول. بينما غالبًا ما يكون لشبكات LPWAN طبقاتها الخاصة، فإن بروتوكولات التطبيقات الفعالة مثل MQTT-SN (MQTT لشبكات الاستشعار) أو CoAP ضرورية لتحسين تبادل البيانات عبر هذه التقنيات اللاسلكية الجديدة، خاصة في المناطق الجغرافية الشاسعة.
• البروتوكولات البديلة/المكملة: على الرغم من أنها لا تتنافس بشكل مباشر، إلا أن بروتوكولات مثل AMQP (بروتوكول انتظار الرسائل المتقدم) لرسائل المؤسسات، و DDS (خدمة توزيع البيانات) للأنظمة عالية الأداء في الوقت الفعلي، تُستخدم في مجالات محددة من إنترنت الأشياء، غالبًا جنبًا إلى جنب أو بالاقتران مع MQTT لطبقات مختلفة من الحل.

الخاتمة

إن اختيار بروتوكول إنترنت الأشياء هو قرار تأسيسي يشكل كفاءة وقابلية التوسع ومرونة نظام إنترنت الأشياء البيئي بأكمله. يعد كل من MQTT وCoAP بروتوكولين قويين وخفيفي الوزن مصممين لتلبية المتطلبات الفريدة للأجهزة المتصلة، ولكنهما يخدمان احتياجات وحالات استخدام مختلفة.

MQTT يلمع في سيناريوهات الاتصال واسعة النطاق من كثير إلى كثير، حيث يوفر موثوقية قوية ونموذج نشر-اشتراك قابل للتطوير بشكل كبير، مما يجعله مثاليًا لتجميع البيانات المرتكزة على السحابة والأحداث في الوقت الفعلي. يوفر نضجه ونظامه البيئي الواسع دعمًا تطويريًا واسعًا.

CoAP، من ناحية أخرى، هو بطل الأجهزة والشبكات الأكثر تقييدًا من حيث الموارد، حيث يتفوق في الاتصال من واحد إلى واحد والتحكم المباشر في الأجهزة، بنهجه النحيف والمتوافق مع الويب RESTful. إنه مناسب بشكل خاص لعمليات النشر على الحافة والأجهزة ذات الميزانيات المنخفضة للطاقة.

بالنسبة لعمليات نشر إنترنت الأشياء العالمية، يعد فهم الفروق الدقيقة في قدرات الأجهزة وظروف الشبكة وأنماط الاتصال ومتطلبات الأمان أمرًا بالغ الأهمية. من خلال الموازنة الدقيقة بين هذه العوامل مقابل نقاط القوة والضعف في MQTT وCoAP، والنظر في البنى الهجينة، يمكنك هندسة حل إنترنت الأشياء ليس فقط قويًا وفعالًا ولكن أيضًا قابلًا للتكيف مع المتطلبات المتنوعة والمتطورة باستمرار للعالم المتصل عالميًا. يضمن اختيار البروتوكول الصحيح أن رؤيتك لإنترنت الأشياء يمكن أن تتجاوز الحدود الجغرافية حقًا وتطلق العنان لإمكاناتها الكاملة.